Расчетно-экспериментальный метод создания динамических моделей ракетно-космических конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.03, кандидат технических наук Клейменов, Геннадий Борисович

• Клейменов, Геннадий Борисович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Клейменов, Геннадий Борисович

Введение.

Глава 1. Особенности разработки и идентификации динамических моделей элементов ракетно-космической техники.

1.1. Нагрузки и механические колебания ракетно-космических конструкций.

1.2. Динамические модели объектов ракетно-космической техники.

1.3. Методы идентификации динамических моделей.

1.4. Эффективность испытаний объектов ракетно-космической техники.

1.5. Цель и задачи работы.

Глава 2. Метод разработки и идентификации динамических моделей ракетно-космических конструкций.

2.1. Оценка частотных диапазонов применимости конечно-элементных схем для идентификации динамических моделей.

2.2. Метод идентификации диссипативных характеристик конструкции при вибрационных испытаниях.

2.3. Методика уточнения жесткостных характеристик расчетных моделей с использованием коэффициентов влияния.

2.4. Методика идентификации жесткостных характеристик стыковых соединений.

2.5. Методика конденсирования разноуровневых динамических моделей и синтезирования подсистем, входящих в испытываемый объект.

2.6. Выводы.

Глава 3. Методики проведения и обработки результатов динамических испытаний.

3.1. Оборудование и метрологическое обеспечение испытаний.

3.2. Принципы формирования вибропрочностных режимов и определения уровня ночингов.

3.3. Методика объединения подмножеств временных процессов и АЧХ по перегрузкам в одну общую выборку при повторных экспериментах.

3.4. Выводы.

Глава 4. Разработка предиспытательной динамической модели изделия.

4.1. Анализ исходных данных по механическим характеристикам подсистем сборки. Формирование конечно-элементных моделей подсистем и сборки.

4.2. Разработка предыспытательной динамической модели оснастки испытательного стенда.

4.3. Синтез динамических моделей сборки и стенда.

4.4. Расчет нагружения сборки в составе стенда для режима частотных испытаний.

4.5. Выводы.

Глава 5. Верификация динамической модели хвостового отсека универсального модуля ракеты-носителя на основе результатов вибрационных испытаний.

5.1. Методика проведения виброиспытаний и схема расположения датчиков.

5.2. Анализ результатов вибрационных измерений для идентификации параметров динамической модели

5.3. Структурные доработки конечно-элементной модели изделия и оснастки стенда по результатам виброиспытаний.

5.4. Верификация динамической модели хвостового отсека.

5.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальный метод создания динамических моделей ракетно-космических конструкций»

Эксплуатационные нагрузки, от которых в значительной мере зависит массовое совершенство ракет-носителей и космической техники, для вновь создаваемых изделий определяются расчетным путем. При этом наибольшее количество проблем и сложностей возникает при определении динамических нагрузок, связанных с переходными процессами и знакопеременными внешними воздействиями — включении и выключении двигателей, разделении ступеней и блоков, пульсациях донного давления и тяги, акустических и вибрационных возмущениях. Решение указанных проблем требует тщательного исследования динамических свойств объекта, как упругой системы.

Надежность определения этих свойств в основном зависит от степени совершенства динамических моделей исследуемых изделий. В последнее десятилетие в связи с интенсивным развитием вычислительной техники существенно расширились расчетные возможности по созданию детализированных конечно-элементных динамических моделей.

Однако верификацию моделей, подтверждение их кондиционности можно осуществить только по результатам экспериментов проводимых в наземных условиях.

Так как проведение динамических испытаний ракет-носителей в сборе является дорогостоящей и трудно осуществимой технической задачей, то наиболее реальным и технически осуществимым путем подтверждения кондиционности расчетных моделей является проведение верификационных и идентификационных исследований при динамических испытаниях отдельных элементов (сборок) изделий.

В связи с необходимостью ускорения процесса создания ракетно-космической техники, повышения ее эксплуатационной надежности, является актуальным разработка эффективного расчетно-эксперимен-тального метода создания динамических моделей элементов ракетно-космической техники.

Цель работы. Разработка расчетно-экспериментального метода создания динамических моделей элементов ракетно-космической техники, обеспечивающего повышение надежности результатов расчета динамических нагрузок проектируемых изделий.

Научная новизна

Разработан расчетно-экспериментальный метод создания верифицированных динамических моделей ракетно-космических конструкций, позволяющий повысить надежность результатов расчета динамических нагрузок проектируемых изделий.

Сформулированы принципы построения конечно-элементной модели, состоящей из ряда подсистем, базирующиеся на совместимости частотных диапазонов низших тонов собственных колебаний стыкуемых подсистем и согласованности динамических моделей, обеспечивающих их взаимную адекватность в испытательном частотном диапазоне и требуемую точность.

Разработан метод идентификации параметров модели, который позволяет с использованием результатов измерений собственных частот и форм колебаний осуществлять последовательное уточнение диссипа-тивных и жесткостных характеристик конечно-элементной модели динамической системы.

Разработана методика определения жесткостных характеристик соединительных узлов с использованием результатов гармонических частотных испытаний.

Разработана методика формирования объединенного множества временных реализаций и АЧХ по перегрузкам, полученных при испытаниях изделия при повторных экспериментах с учетом ограниченного количества измерительных каналов.

Практическая значимость

Разработанные в диссертации теоретические положения и методики обеспечивают создание и верификацию конечно-элементных динамических моделей элементов ракетно-космической техники для проведения расчетов их динамических характеристик и действующих нагрузок. Методики использовались для разработки и верификации динамических моделей элементов универсального ракетного модуля УРМ1 ракеты-носителя «Ангара».

Достоверность результатов и выводов

Достоверность научных результатов, вводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснованы применением математического аппарата теории колебаний, упругости, применением аттестованных программных средств в процессе расчета колебаний исследованных конструкций, соответствием результатов математического моделирования и виброиспытаний элементов ракеты-носителя.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на Шестом международном аэрокосмическом конгрессе 1РС'09 (Москва, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» — НМТ-2010, (Москва,2010). Основные положения диссертации опубликованы в научно-технических журналах «Авиационная промышленность» и «Технология машиностроения».

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа содержит 126 страниц машинописного текста, 72 рисунка. Список литературы включает 91 наименование.

Заключение диссертации по теме «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», Клейменов, Геннадий Борисович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан расчетно-экспериментальный метод создания динамических моделей ракетно-космических конструкций, обеспечивающий повышение надежности результатов расчета динамических нагрузок проектируемых изделий.

2. Сформулированы принципы построения конечно-элементной модели, состоящей из ряда подсистем, базирующиеся на совместимости частотных диапазонов низших тонов собственных колебаний стыкуемых подсистем и согласованности динамических моделей, обеспечивающих их взаимную адекватность в испытательном частотном диапазоне и требуемую точность.

3. Разработан метод идентификации параметров расчетной модели изделия, который позволяет на основе их априорных начальных оценок с использованием результатов экспериментальных измерений собственных частот и форм колебаний осуществлять последовательное уточнение диссипативных и жесткостных характеристик конечно-элементной модели динамической системы.

4. Разработана методика определения жесткостных характеристик соединительных узлов с использованием результатов гармонических частотных испытаний на основе минимизации квадратичных невязок между потенциальной и кинетической энергиями системы по совокупности выявленных собственных частот в испытываемом диапазоне.

5. Сформулированы основные принципы, на которых должно базироваться формирование режимов вибропрочностных испытаний для вновь разрабатываемого изделия и при необходимости осуществление ночингов.

6. Разработана методика формирования объединенного множества временных реализаций и АЧХ по перегрузкам, полученных при испытаниях изделия при повторных экспериментах с учетом ограниченного количества измерительных каналов. Формирование объединенного множества основано на использовании подобия АЧХ основной системы датчиков, являющихся общими для последовательно проводимых экспериментов.

7. Разработаны предиспытательная динамическая модель объекта исследования, а также предиспытательная модель оснастки стенда. На основе разработанных конечно-элементных моделей подсистем был осуществлен синтез сборки. Проведен расчет и анализ нагружения элементов конструкции сборки для обеспечения коррекции режимов вибропрочностных испытаний.

8. С использованием разработанных методик построена и верифицирована динамическая модель хвостового отсека универсального ракетного модуля УРМ1 ракеты-носителя «Ангара».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Клейменов, Геннадий Борисович, 2011 год

1. Кармишин A.B., Лиходед А.И., Паничкин Н.Г., Сухинин С.Н. Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций. М.: Машиностроение, 2007. 480 с.

2. Вольмир A.C. Нелинейная динамика пластин и оболочек. М., 1972.

3. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М., 1971.

4. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М., 1975.

5. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М., 1959.

6. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний. М., 1980.

7. Вибрации в технике: справочник, т. 1. Колебания линейных систем. М.: Машиностроение, 1978.

8. Вибрации в технике: справочник, т.5. Измерения и испытания. М.: Машиностроение, 1981.

9. Бишоп Р. Колебания /пер. с англ. М.: Наука, 1968.

10. Болотин В.В. Теория распределения собственных частот упругих тел и ее применение к задачам случайных колебаний II Прикладная механика. т.8. 1972.

11. Болотин В.В., Москвин В.Г. О параметрических резонансах в стохастических системах // Изв. АН СССР. МТТ, 1972. № 4.

12. Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С. Механические колебания и их роль в технике. М.: Наука, 1965.

13. Лиходед А.И. О стационарных колебаниях пластинки, опертой по краю // ПММ. Т. 27. 1963. Вып. 4. С. 745-750.

14. Писаренко Г.С. Колебания механических систем с учетом несовершенной упругости материала. Киев: Наукова думка, 1970.

15. Прочность, устойчивость, колебания: справочник: в 3 т. Под ред. И.А. БиргераиЯ.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968.

16. Лиходед А.И. О сходимости метода разложения по собственным формам колебаний в задачах динамического нагружения. // Известия АН СССР. МТТ. 1986. № 1.

17. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.: Машиностроение, 1976.

18. Справочник по динамике сооружений/под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. М.: Стройиздат, 1972.

19. Anderson R. Fundamentals of vibrations. New York, 1967.

20. Crandall S.H., Mark W.D. Random vibration in mechanical systems. New York. Academic Press, 1963.

21. Случайные колебания /под ред. С. Кренделл ; пер. с англ. М., 1967.

22. Thomson W.T. Vibration theory and applications. London : Allen and Unwin, 1971.

23. Shock and vibration handbook. Edited by C.M. Harris, C.E. Crede. New York : Mc Graw-Hill, 1976.

24. Standard ISO 2041. Vibration and Shock Vocabulary, 1975.

25. Микишев Г. H. Экспериментальные методы в динамике космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. 248 с.

26. Колесников К.С., Сухов В.Н. Упругий летательный аппарат как объект автоматического управления. М.: Машиностроение, 1974. 267 с.

27. Лиходед А.И. Методические основы расчета нагрузок. Определение внутренних силовых факторов : справочно-методический материал. ЦНИИмаш, 1984.

28. Анисимов А.В., Лиходед А.И., Плещинский М.А. Методика расчета динамических нагрузок конструкций пакетных схем при отделении подсистем // РДК. Прочность конструкций. ЦНИИмаш, 1986. т. 1. кн. 1.

29. Колесников К.С. Продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. М., 1971.

30. Моссаковский В.И. и др. Прочность ракетных конструкций. М., 1990.

31. Рабинович Б.И. Введение в динамику ракет-носителей космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 296 с.

32. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. Л., 1963.

33. Продольные колебания ракет на жидком топливе (обзор) // Вопросы ракетной техники. 1971. № 11. С. 3-23.

34. Продольные колебания ракет на жидком топливе (обзор). // Вопросы ракетной техники. 1971. № 12. С. 12-34.

35. Goldman R.L. Elimination of the POGO instability from the GEMINI LAUNCH VEHICLE, Dynamic stability of structure, Proc. Of an International Conf. held at Northerstern University, Evanston, Illinois. 1965, Oct., pp. 157166.

36. Sterett I. B./Riley G. F. Saturn V/Apollo vehicle POGO stability problems and solutions. — «А1АА Paper», № 1236, 1970.

37. Анисимов A.B., Забудкин В.В., Лиходед А.И., Понаморев Д.А. Динамическое нагружение пилотируемых космических станций сложной пространственной компоновки // Космонавтика и ракетостроение. 1998. № 13. С. 130-140.

38. Зенкевич О.М. Методы конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.

39. Синицын А.П. Метод конечных элементов в динамике сооружений. М.: Стройиздат, 1978. 231 с.

40. Сьярде Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач. М.: Мир, 1980. 512 с.

41. Цырков А.В. Методология проектирования в мультиплексной среде. Монография. М.: ВИМИ, 1998. 281 с.

42. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. 444 с.

43. Филин А.П. Приближенные методы математического анализа, используемые в механике твердых деформируемых тел. JL: Изд-во литературы по строительству, 1971. 159 с.

44. Балабух Л.И., Колесников Н.С., Зарубин B.C. Основы строительной механики ракет. М.: Высшая школа, 1969. 494 с.

45. Колесников К.С. Динамика ракет. М.: Машиностроение, 1980. 376 с.

46. Ананьев И.В. и др. Динамика конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1972. 415 с.

47. Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М.: Машиностроение, 1970. 734 с.

48. Петроковский С.А., Павлов Е.В. Комплексное решение проблемы снижения нагрузок на выводимый космический аппарат при модернизации ракеты-носителя «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» // Авиационная промышленность. 2006. № 4. С. 7-13.

49. Лиходед А.И. Построение механических аналогов для оболочек, последовательно включаемых в стержневую систему // Прикладная механика. Т. 22. № 9. Киев: Наукова думка, 1986.

50. Лиходед А.И. Об использовании механических аналогов при рас- 1 чете колебаний оболочек, состыкованных со стержнями // Прикладная механика. Т. 14. № 6. Киев: Наукова думка, 1978.

51. Лиходед А.И. Построение механических аналогов для оболочек, последовательно включаемых в стержневую систему // Прикладная механика. Т. 22. № 9. Киев: Наукова думка, 1986.

52. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977.

53. Молчанов И.Н., Николенко Л.Д. Основы метода конечных элементов. Киев: Наукова думка, 1989.

54. Лиходед А.И. Методические основы расчета нагрузок. — ГОНТИ-1, 1984.

55. Бахвалов Ю.О., Бизяев Р.В. Испытания на прочность композитных конструкций летательных аппаратов. М.: МАТИ, 2006. 152 с.

56. Miles J.W. Ring damping of free surface oscillations in circular tank. Journal of Applied Mechanics. 1958. Vol. 25, № 6. p. 26—32.

57. ИГвейко Ю.Ю. Сравнительный анализ частот упругих колебаний конструкций некоторых ракет-носителей по результатам их натурныхиспытаний и испытаний конструктивно подобных моделей // Космонавтика и ракетостроение. 2007. № 2(47). С. 131-133.

58. Анисимов A.B. Динамическое поведение упругой конструкции при скачкообразном изменении внешней статической нагрузки: сб. тр. М.: Изд-во МФТИ, 1981. 234 с.

59. Введенский Н.Ю. Сидоров В.В. Решение нелинейных задач динамического нагружения конструкций космической техники методом прямого интегрирования уравнений их движения // Космонавтика и ракетостроение. Вып. 13. 1998.

60. Лиходед А.И., Малинин A.A. Колебания подкрепленных оболочек вращения с сосредоточенными массами и осцилляторами // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1971. № 1.

61. Анисимов A.B., Выломов В.Н., Забудкин В.В. и др. Методика Расчета динамических нагрузок на сложные ракетные конструкции с выделением квазистатических составляющих // Космонавтика и раке-строепие. 1995. Вып. 4.

62. Методы отработки ракетно-космических комплексов /подред. В.Ф. Грибанова. М.: Машиностроение, 1995.

63. Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика твердого тела с полостями, частично заполненными жидкостью. М.: Машиностроение, 1968.

64. Equivalent models for spacecraft vibroacoustic verification tests. A.V. Bobrov, V.l. Nikitenko, P.A.Nosatenko et. al. 3 International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 1997.

65. Энциклопедия. Т. 18 / под общ. ред. К.С. Карасева. М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЭХ», 2001 . 389 с.

66. Климонов О.П., Могильный Б.В. Лабораторная база Центра исследований прочности ЦНИИмаш // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш, 1995. № 4.

67. Ленг А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. М.: Мир, 1976.

68. Малинин A.A. Вибрационная прочность конструкций ракет-носителей и космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш, 1995. № 4.

69. Кармишин A.B., Жуков А.И., Колосов В.Г. и др. Методы динамических расчетов и испытаний тонкостенных конструкций М.: Машиностроение, 1990.

70. Осадчий Я.Г. Основные проблемы отработки термопрочности ракетных конструкций // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш. 1995. № 4.

71. Буслов Е.П., Забиров И.Х. и др. Прочность конструкций при ударном воздействии // Космонавтика и ракетостроение. ЦНИИмаш, 1998. № 13.

72. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г. и др. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов М.: Машиностроение, 1974. 470 с.

73. Сухинин С.Н., Никитин E.H. Испытательные комплексы для прочностной отработки летательных аппаратов. М. Изд-во Министерства обороны СССР, 1989.

74. Кензин С.С., Кузнецов В.Е., Оленчикова Т.Ю., Семынин И.И. Многофункциональный измерительно-управляющий комплекс для вибрационных и ударных испытаний космических аппаратов // XXXI НТК ИжГТУ: тез. докл. Ч. 2. 1998.

75. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976.

76. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977.

77. Клейменов Г.Б., Шевченко И.В. Расчетно-экспериментальный метод определения режимов вибрационных испытаний элементов ракетно-космической техники // Технология машиностроения. № 7. 2010. С. 43-46.

78. Бахвалов Ю.О., Клейменов Г.Б., Шевченко И.В. Методика формирования общей выборки подмножеств временных процессов и АХЧ при повторных вибрационных испытаниях элементов ракетной техники // Авиационная промышленность. 2009. № 4. С. 3-7.

79. Бахвалов Ю.О., Клейменов Г.Б., Шевченко И.В. Метод идентификации диссипативных и жесткостных характеристик конструкций ракетно-космической техники при вибрационных испытаниях // Авиационная промышленность. 2009. №3, С. 15-18.

80. Бахвалов Ю.О., Зданович Ю.К., Клейменов Г.Б., Шевченко И.В. Методика идентификации жесткостных характеристик стыковых соединений изделий ракетно-космической техники // Шестой международный аэрокосмический конгресс .Р(Г09: тез. докл. М., 2009. С. 58.

81. Клейменов Г.Б., Бахвалов Ю.О., Шевченко И.В. Методика идентификации жесткостных характеристик стыковых соединений изделий ракетно-космической техники // Научные труды. Вып. 16(88). М.: МАТИ, 2009. С. 65-72.